氨氧化装置爆炸危险性分析与控制措施

　　氨氧化装置是利用气氨与空气在催化剂存在的条件下，燃烧生成二氧化氮，供后装置制备硝酸的一套无机化工装置。装置一般由5个子系统组成：液氨蒸发系统、压缩空气系统、氨氧化反应系统、氨氧化（尾气）吸收系统、锅炉给水系统，该工艺是目前制备硝酸的主流技术，工艺成熟可靠。

　　氨氧化工艺过程连续性强，自动化控制程度高，生产过程具有高温、高压、强腐蚀的特点，存在丰固有的火灾爆炸员对设备搅拌、燃烧点火器电路进行检查送电、验电时，发生爆鸣声，对氨氧化反应器开封头检查，发现铂铑网烧黑，上封头内分布器通道板有2个固定螺杆震断。由此，有必要对氨氧化反应器进行爆炸危险性分析，了解该工艺过程的危害危险因素，并采取控制措施，以达到确保生产过程安全的目的。

　　一、反应原理和工艺流程简况

　　氨氧化主反应：

　　4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O+225.6kJ/mol

　　2NO+O₂═2NO₂+57.6 kJ/mol

　　氨氧化副反应：

　　4NH₃+3O₂═2N₂+6H₂O+632.2kJ/mol

　　2.工艺流程简图

图1 氨氧化反应工艺流程简图

　　3.工艺流程概述

　　自界区来的液氨经氨蒸发器E1蒸发变成气氨，气氨通过过滤器后与压缩机K来的压缩空气混合；一次空气与气氨9：1比例在混合器（M）中混合后，进入反应器（R）并由氢气点火（氢气只用于装置开车点火用），在一定温度下，经催化氧化生成二氧化氮；生成的二氧化氮经废热锅炉换热器冷却至200℃（同时副产3500kPa的高压蒸汽（SH）），200℃的亚硝酸气经冷却器冷却成36％（ω/ω）HNO3进入回流槽，大部分未冷凝的二氧化氮进入吸收塔（C）吸收，供后续工序使用。

　　二、爆炸危险分析

　　1.生产过程物料危险特性分析

　　氨氧化生产工艺过程主要物料是氨和空气，燃料为氢，主要中间产品硝酸，工艺过程可能形成副产物硝酸铵，其物料危险特性分析如下：

　　液氨危险特性：经过实验，液氨常用理化常数：比重：0.817（-79℃）；熔点：-77.7℃；沸点；-33.3℃；自燃点；651℃；爆炸极限：15.7℃～27.4%，最易引燃浓度：17％；蒸气密度：0.6（空气＝1）；蒸汽压力：-33.6℃，0.101Mpa；4.7℃，0.507Mpa；25.7℃，1.013Mpa；50.1℃，2.027Mpa；遇火星会引起燃烧爆炸，有油类存在时，更增加燃烧危险；核武器有毒，液接触到皮肤可造成灼伤和冻伤等。

　　氢气危险特性：无色无味，非常轻，相对密度0.07，自燃点570℃,爆炸极限4.0％～75％，与空气混合易形成爆炸混合物，引燃能量小。

　　硝酸铵危险特性；白色结晶粉末，溶于水，加热160℃以上放热分解，加热至400℃爆炸，与有机物、可燃物、氯离子、铜、锌、铝等接触时能发生爆炸或燃烧，遇雷汞起爆炸。

　　2.氨氧化装置的爆炸危险性

　　在氨氧化装置中，氨、空气经催化剂的作用，在爆炸反应条件下进行氧化反应，控制条件十分严格，在操作过程中，氨、氢（NH₃、H₂）易形成爆炸混合物，开停车过程中易形成硝酸铵（NH₄、NO₃）爆炸物，其爆炸危险性体现如下：

　　（1）氨氧化反应器系统火灾爆炸危险性

　　①氨易于挥发，刺激性气味浓，具有可燃性，在不同温度、压力下，具有不同的爆炸极限。如：1993年12月15日，某公司化肥厂拆除630m3的氨水贮罐时，内部余0.2m液位的氨沙沙，氨水蒸发，在贮罐壁上焊吊耳时发生爆炸。氨气爆炸极限曲线图见图2、图3。

图2 氨气在20℃时，氨空混合物的爆炸图

图3 氨空混合物的爆炸下限与温度、压力、浓度曲线图

　　从氨气爆炸极限曲线图可知，常压20℃时，氨的爆炸极限为15.2％～25.25％（V/V），随压力的升高爆炸极限的浓度增大；温度、压力升高爆炸下限降低；因此，在一定的温度、压力和催化剂的作用下，氨能实现控制氧化反应并放出大量的热，一旦氨空比失调，超出10％（V/V），产生爆炸反应。

　　②氢气的爆炸性

　　氢气用于反应系统引燃氨燃烧，氢气易燃易爆，爆炸下限为4％、上限为75％，操作处理不当，阀门未关或泄漏，极易形成爆炸混合物。

　　③硝酸铵的爆炸性

　　在氨氧化装置停车后，如果未进行清洗吹扫，残存的硝酸和泄漏氨形成硝酸铵，在开车的过程中，硝酸铵受热或者检修时碰撞，容易产生爆炸。

　　（2）锅炉系统的爆炸危险

　　系统的作用是将氨氧化反应热及时移走，副产3500kPa、350℃的高压蒸汽。锅炉给水系统缺水、中断或者循环泵断电停运，高温、压力报警失灵，调节阀控制不能自动开关的情形下，汽包液体大量汽化，造成汽包系统超压，锅炉会发生爆炸；锅炉炉管遭受严重冲刷腐蚀，也可能发生爆管。

　　三、爆炸诱发条件

　　从工艺过程分析，该系统发生爆炸存在2种情形，其一是物理爆炸，即废热锅炉节水和； 其二是化学爆炸，但化爆炸必须在爆炸物和存在引爆的能量，系统可能爆炸条件的情况如下：

　　1.废热锅炉诱发因素

　　系统缺水（突发性断电、控制阀关闭）、超压、超温等，导致锅炉爆炸。

　　2.有化学爆炸可能的爆炸物

　　反应器内的氨、氢气和内部可能残存的硝酸与氨形成的硝酸铵；可能残存于反应器内的原料液氨和压缩机油；诱发条件是与系统相连运行的氨蒸发系统、氢气管线的阀门内漏或未关严，氨空比失调（未高度或调试不准备、仪表故障）；开、停车后，氨氧化系统吹扫不彻底，导致在窗口内残存氢气、氨、硝酸铵、有机物和杂质；以及开、停车程序存在偏差等。

　　3.可能的引爆能源

　　有电点火源、锅炉系统水热循环热源、系统旋转构件松动或变形时碰撞产生火花、液氨与强氧化剂二氧化氮作用放热、物料输送过程中产生静电和检修设备过程中使用明火等。

　　四、控制措施

　　针对氨氧化装置潜在的火灾爆炸危险性以及诱发条件，从设备、工艺和管理方面，实现安全控制措施：

　　1.开、停车工艺安全措施

　　（1）氨蒸发、反应系统

　　严格控制氨蒸发器的液位、蒸发的压力和温度，避免由液氨超压、超温引起的过量液氨进入氧化反应系统，及时地查看氨蒸发系统的高、低液位、温度、压力；定期对系统的液位、压力及其联锁报警系统进行检查和校验。

　　在系统的开、停车过程中，进行清洗、吹扫、转换和气密合格试验，防止系统形成硝酸铵和产生泄漏；消除可能爆炸物：检修过程中对系统进行彻底清洗，把与系统相连的物料管线彻底断开或加盲板；利用空气或氮气进行系统转换，增加对流；开车前进行氨空比调校。

　　（2）锅炉系统

　　建立锅炉水系统的开车程序，并严格执行锅炉水系统的开车程序，开车之前必须对系统进行预热、建立热循环； 严格控制锅炉给水水质标准，避免劣质水对锅炉炉管的腐蚀，加强对系统进行定期排污。

　　2.设备与仪表安全措施

　　（1）仪表安全措施

　　设置氨空比例仪、工艺进料程序制器及高低流量开关，并严格调校氨空比例仪、工艺进料程序控制器及高低流理开关：在开车之前，对设置的氨空比例仪、高低流量控制开关，按照不同的负荷比例进行氨空比实验，并对其进行校验，保证功能正常，避免系统的氨空比例失调、联锁报警系统失灵等。

　　（2）设备与电气系统安全措施

　　锅炉水循环系统的循环水泵实行双电源供电，设置备用蒸汽透平循环泵，定期对锅炉给水系统的高低液位仪、高压开关报警联锁系统、水质电导仪校验和检查；对系统设备的静电接地装置联接定期检测。

　　3安全管理控制管理

　　（1）安全生产管理措施

　　严格系统开、停车的程序化管理：制定开、停车方案，指挥畅通、层次分明、责任明确，避免盲目性。

　　严格系统操作、培训，加强突发事故处理：强化规程教育；组织应急预案演习；严格关键程序的检查确认和特护设备管理；坚持专业监督管理，负责到人。

　　现场配置的消防器材、喷淋设施、防毒面具、氧气呼吸器必须定期检查，保证好用。

　　（2）检修安全控制措施

　　完善停车处理方案和检修规程：与系统相连物料管线，可能残存在可燃物和爆炸物品，检修作业前，应采取转换、溶解法等措施消除危险因素；定期校验安全附件和仪表设施； 检修后系统必须经吹扫、试压和气密试验合格后，才能投入运行。

　　（3）原材料安全控制措施

　　重视原材料中杂质和有机物控制：对液氨过滤器中的油、催化剂定期排净；严格工艺水中氯离子含量控制等。

　　（4）压缩机和设备运行完好的监控管理

　　防止压缩机油及杂技污染系统，以及系统物料反串至压缩机系统；定期对事故电源系统试验。

　　五、结论

　　综上所述，氨氧化装置通过从设备方面采取设置事故电源、备用设备、安全附件和氨空比例仪、控制系统；从工艺方面完善开、停车操作程序和工艺操作规程； 从安全管理方面采取定期检修和进行突发性事故演练等一系列保障控制措施后，是能够实现氨气化装置安全稳定运行的。